(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を発生するための電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子（ＲＴ）を備えた同期機（４）を起動するための同期機起動装置であって、
供給された電力を交流電力に変換して前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）に供給するための電力変換部（７１）と、
前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）における交流電圧を検出するための交流電圧検出部（８）と、
前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機（４）の回転子位置を検出するための回転子位置検出部（１１）と、
前記回転子位置検出部（１１）によって検出された前記回転子位置に基づいて、前記電力変換部（７１）を制御するための電力変換制御部（１９）と、
前記同期機（４）の回転子（ＲＴ）への前記界磁電流の供給が開始された時から前記電力変換部による前記同期機の電機子への前記交流電力の供給が開始される時までの期間の全部または一部の期間において、前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて、前記同期機（４）の回転異常を検出する異常検出部（１０，２０）とを備える同期機起動装置。
【請求項２】
前記異常検出部（１０，２０）は、前記同期機（４）の回転子（ＲＴ）への前記界磁電流の供給が開始された時から前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始される時までの期間の全部または一部の期間において、前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）における前記交流電圧のレベルが所定値になった回数に基づいて前記同期機（４）の回転異常を検出する請求項１に記載の同期機起動装置。
【請求項３】
前記回転子位置検出部（１１）は、前記回転子位置を示す推定位相、前記回転子（ＲＴ）の推定回転速度および前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧に基づいて前記推定位相の誤差を算出し、算出した前記位相誤差に基づいて前記推定位相および前記推定回転速度を算出し、
前記異常検出部（１０）は、前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において前記回転子位置検出部（１１）によって算出された前記推定回転速度に基づいて、前記同期機（４）の回転異常を検出する請求項１に記載の同期機起動装置。
【請求項４】
前記異常検出部（２０）は、前記電力変換部（７１）による前記同期機（４）の電機子（ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ）への前記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において前記交流電圧検出部（８）によって検出された前記交流電圧の振幅に基づいて、前記同期機（４）の回転異常を検出する請求項１に記載の同期機起動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期機起動装置に関し、特に、同期機の電機子における電圧に基づいて同期機の回転子位置を検出する同期機起動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機および電動機等の同期機を起動するための同期機起動装置が開発されている。同期機起動装置は、たとえばガスタービンコンバインドサイクル発電に用いられる。同期機起動装置は、たとえば、同期機に交流電力を供給するインバータを備え、同期機の回転子の位置を検出し、検出した回転子位置に基づいて、インバータにおけるサイリスタの点弧位相を制御する。【０００３】
従来、同期機起動装置では、同期機の回転子位置を近接スイッチ等により検出する機械式分配器が用いられている。しかしながら、機械式分配器は壊れやすく、また、配線が多いためにノイズの影響を受けやすい。【０００４】
このような機械式分配器を不要とするための同期機起動装置の一例が特開２００６−２７１０３８号公報（特許文献１）に開示されている。すなわち、この同期発電機起動装置は、サイリスタなどの他励素子からなる他励式コンバータと、コンバータにより得られる直流電力を交流電力に変換するサイリスタなどの他励素子からなる他励式インバータとを備え、インバータにより得られる交流電力による同期発電機を起動する。そして、この同期発電機起動装置は、同期発電機の電機子端子の電圧を検出する交流電圧検出器と、インバータから同期発電機の電機子に流し込まれるインバータ出力電流を検出する交流電流検出器と、出力電流検出器からのインバータの交流電流検出値と、第一の同期発電機回転速度推定値から、同期発電機の界磁電流により同期発電機の電機子巻線に誘起される誘起電圧の、第一の基準位相に対する同相成分と直交成分を演算する誘起電圧演算回路と、誘起電圧演算回路からの誘起電圧の第一の基準位相の直交成分をゼロとするような第二の基準位相と第二の同期発電機回転速度推定値を出力するＰＬＬ回路とを備える。そして、この同期発電機起動装置は、ＰＬＬ回路の出力である第二の基準位相に基づき、所定の制御進み角のインバータのゲートパルスを生成するとともに、第二の基準位相を、誘起電圧演算回路の第一の基準位相に入力し、第二の同期発電機回転速度推定値を誘起電圧演算回路の第一の同期発電機回転速度推定値に入力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７１０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の同期機起動装置では、何らかの原因により同期機の回転子（ロータ）における磁界とサイリスタの点弧位相とがずれると、同期機に正常なトルクを与えることができず、同期機の回転を加速することができなくなる。【０００７】
通常、同期機では、同期機起動装置による加速前の初期回転時、回転子の界磁巻線を通して一定の界磁電流が流されており、一定の固定磁界が発生している。ここで、界磁電流によって界磁巻線に発生する熱は、回転子の回転によって空冷されるが、上記のように同期機の回転数が上がらないまま一定の界磁電流が流されている状態が続くと、界磁巻線の温度が上昇し、同期機が故障してしまう場合がある。【０００８】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、同期機の回転異常を検出することにより、同期機を安定して起動することが可能な同期機起動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のある局面に係わる同期機起動装置は、回転磁界を発生するための電機子、および界磁電流が供給されることにより固定磁界を発生する回転子を備えた同期機を起動するための同期機起動装置であって、供給された電力を交流電力に変換して上記同期機の電機子に供給するための電力変換部と、上記同期機の電機子における交流電圧を検出するための交流電圧検出部と、上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転子位置を検出するための回転子位置検出部と、上記回転子位置検出部によって検出された上記回転子位置に基づいて、上記電力変換部を制御するための電力変換制御部と、上記同期機の回転子への上記界磁電流の供給が開始された後において上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する異常検出部とを備える。【００１０】
好ましくは、上記異常検出部は、上記同期機の回転子への上記界磁電流の供給が開始された時から上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始される時までの期間の全部または一部の期間において、上記同期機の電機子における上記交流電圧のレベルが所定値になった回数に基づいて上記同期機の回転異常を検出する。【００１１】
好ましくは、上記回転子位置検出部は、上記回転子位置を示す推定位相、上記回転子の推定回転速度および上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧に基づいて上記推定位相の誤差を算出し、算出した上記位相誤差に基づいて上記推定位相および上記推定回転速度を算出し、上記異常検出部は、上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において上記回転子位置検出部によって算出された上記推定回転速度に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する。【００１２】
好ましくは、上記異常検出部は、上記電力変換部による上記同期機の電機子への上記交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において上記交流電圧検出部によって検出された上記交流電圧の振幅に基づいて、上記同期機の回転異常を検出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、同期機の回転異常を検出することにより、同期機を安定して起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。
【図３】回転子位置検出部１１の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る同期機の電機子における交流電圧の実効値を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムの構成を示す図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。
【００１７】
図１を参照して、同期機システム３０１は、たとえば発電システムであり、中央制御装置２０１と、励磁装置２０２と、同期機起動装置１０１と、同期機４と、タービンＴＢと、モータＭとを備える。
【００１８】
同期機４、タービンＴＢおよびモータＭは、軸ＳＨを介して接続されている。同期機４はたとえば同期発電機または同期電動機であり、図２に示すように、固定子である電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷと、回転子（界磁）ＲＴとを有する。この固定子および回転子において電機子巻線および界磁巻線がそれぞれ巻回されている。
【００１９】
同期機起動装置１０１は、同期機４の固定子における電機子巻線に交流電力を供給することにより、同期機４の固定子に回転磁界を発生する。励磁装置２０２は、同期機４の回転子における界磁巻線に界磁電流を供給することにより、同期機４の回転子に固定磁界を発生する。これらの回転磁界および固定磁界により、同期機４の固定子が回転する。
【００２０】
モータＭは、同期機４の待機時、所定速度で回転する。この回転速度は低速であり、たとえば数ｒｐｍである。これに対して、通常時の回転速度は３０００ｒｐｍ〜３６００ｒｐｍである。起動時の同期機４の電機子における電圧は、定常時の定格電圧のたとえば１／１０００と非常に小さい。
【００２１】
同期機システム３０１の動作について簡単に説明すると、まず、同期機４の待機時、同期機４およびタービンＴＢがモータＭの回転に伴って低速回転している状態において、中央制御装置２０１は、励磁装置２０２に起動指令を与える、すなわち励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを出力する。
【００２２】
励磁装置２０２は、界磁スイッチＳＷＡを備え、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けると、界磁スイッチＳＷＡをオンし、同期機４の回転子における界磁巻線に界磁電流を供給する。
【００２３】
同期機４の回転子に界磁電流が供給されている状態において、中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１に起動指令を与える、すなわち同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを出力する。
【００２４】
同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けると、同期機４およびタービンＴＢを所定の回転速度まで加速する。より詳細には、同期機起動装置１０１は、外部から供給された電力をトランスＴＲによって変換し、変換した電力に基づいて同期機４の電機子に交流電力を供給することにより、同期機４およびタービンＴＢの回転を加速する。
【００２５】
同期機起動装置１０１によって同期機４およびタービンＴＢの回転速度が所定値に達すると、タービンＴＢは、火力等のエネルギーによって同期機４をさらに高速に回転させる。
【００２６】
また、同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から励磁装置２０２へ起動指令が与えられると異常検出動作を開始し、同期機４の回転異常を検出した場合、警報信号ＡＬＭを中央制御装置２０１へ出力する。
【００２７】
中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１から警報信号ＡＬＭを受けると、励磁装置２０２、同期機起動装置１０１、同期機４、タービンＴＢおよびモータＭの停止等、適切な処理を行なう。
【００２８】
図２を参照して、同期機起動装置１０１は、電力変換部９１と、交流電圧検出器８と、交流電流検出器９と、異常検出部１０と、回転子位置検出部１１と、インバータ制御部（電力変換制御部）１９とを備える。電力変換部９１は、コンバータ１と、インバータ２と、直流リアクトル３とを含む。インバータ制御部１９は、基準正弦波演算器１２と、ゲートパルス発生器１３と、β指令回路１４とを含む。
【００２９】
コンバータ１は、サイリスタなどの複数の素子からなり、交流電源ｅ１からの交流電力を直流電力に変換する。
【００３０】
インバータ２は、サイリスタなどの複数の素子からなり、コンバータ１により得られる直流電力を交流電力に変換して同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに供給することにより、同期機４を駆動する。
【００３１】
コンバータ１およびインバータ２は、直流リアクトル３を介して接続されている。インバータ２の交流側は同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに接続されている。
【００３２】
交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに供給される三相交流電圧を検出し、電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を回転子位置検出部１１へ出力する。たとえば、交流電圧検出器８は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおける三相交流電圧の相間電圧を検出する。Ｕ相−Ｖ相間の交流電圧およびＶ相−Ｗ相間の交流電圧等の２つの相間交流電圧を検出すれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を計算により求めることが可能である。この相間電圧から相電圧への変換は、交流電圧検出器８または回転子位置検出部１１において行なわれる。
【００３３】
交流電流検出器９は、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷに供給される三相交流電流を検出し、電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を回転子位置検出部１１へ出力する。
【００３４】
回転子位置検出部１１は、交流電圧検出器８および交流電流検出器９から受けた各検出値に基づいて、同期機４の回転子位置（位相）を検出し、同期機４の回転子位置を示す位置信号ＰＯＳをインバータ制御部１９へ出力する。
【００３５】
インバータ制御部１９は、回転子位置検出部１１から受けた位置信号ＰＯＳに基づいてインバータ２を制御することにより、同期機４の電機子ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷにおいて回転磁界を発生する。
【００３６】
インバータ制御部１９において、基準正弦波演算器１２は、回転子位置検出部１１から受けた位置信号ＰＯＳに基づいて、基準正弦波ｓｉｎφを出力する。
【００３７】
β指令回路１４は、制御進み角指令値βを演算し、ゲートパルス発生器１３へ出力する。
【００３８】
ゲートパルス発生器１３は、基準正弦波演算器１２から受けた基準正弦波ｓｉｎφと、β指令回路１４から受けた制御進み角指令値βとに基づいて、インバータ２における各素子へゲートパルスを出力する。
【００３９】
回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相すなわち後述する基準位相φと交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を算出し、算出された位相誤差に基づいて推定位相すなわち後述する基準位相φを算出する。そして、回転子位置検出部１１は、算出した推定位相から得られる位置信号ＰＯＳを出力するとともに算出した推定位相と新たに交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および新たに交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を新たに算出するフィードバック演算を行なう。
【００４０】
異常検出部１０は、励磁装置２０２から同期機４の回転子ＲＴへの界磁電流の供給が開始された後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
【００４１】
図３は、回転子位置検出部１１の構成を示す図である。
図３を参照して、回転子位置検出部１１は、ゼロクロス検出部（レベル監視部）３９と、三相二相変換回路３１および３２と、誘起電圧演算回路３３と、ＰＬＬ回路３４と、位置信号生成器３５と、スイッチＳＷＢとを含む。
【００４２】
ゼロクロス検出部３９は、交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて、同期機４の電機子における交流電圧のゼロクロス検出を行なう。すなわち、ゼロクロス検出部３９は、同期機４の電機子における交流電圧のレベルがたとえばゼロボルトになるタイミングを検出し、検出したタイミングを示すパルス状の検出信号ＺＤＥＴをスイッチＳＷＢへ出力する。
【００４３】
三相二相変換回路３１は、基準位相φに基づいて、交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を三相二相変換（ｄ−ｑ変換）する。
【００４４】
三相二相変換回路３２は、基準位相φに基づいて、交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を三相二相変換（ｄ−ｑ変換）する。
【００４５】
誘起電圧演算回路３３は、三相二相変換回路３１によって変換された電圧値ＶｄおよびＶｑならびに三相二相変換回路３２によって変換された電流値ＩｄおよびＩｑに基づいて、同期機４の電機子に誘起される誘起電圧を演算する。
【００４６】
三相二相変換回路３１および３２によって電圧および電流の座標変換すなわち三相二相変換を行なうためには、同期機４の回転子の回転に同期した基準位相が必要になる。ところが、機械式分配器などの位置センサが無い場合、この信号が直接得られない。
【００４７】
そこで、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、三相二相変換回路３１および３２は、同期機起動装置１０１の起動時に基準位相φの初期値が与えられ、座標変換を行なう。
【００４８】
そして、誘起電圧演算回路３３は、三相二相変換回路３１および３２によって変換されたｄ−ｑ軸上の電圧値および電流値に基づいて同期機４のｄ軸（同相成分）−ｑ軸（直交成分）上での電機子の誘起電圧を計算する。誘起電圧を計算するためには、回転速度ωが必要になるが、位置センサがないため、同期機起動装置１０１の起動時に同期機４の回転速度ωの初期値が誘起電圧演算回路３３に与えられる。
【００４９】
誘起電圧演算回路３３によって計算された誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑすなわち基準位相φに対する直交成分がゼロでない場合には、計算結果が基準位相φに対してずれている。この誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑが、同期機４における回転子の推定位相の誤差に相当する。そこで、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑがゼロとなるような制御を行なうＰＬＬ回路３４を設ける。ＰＬＬ回路３４は、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑがゼロになるような回転速度ωすなわち同期機４の回転子の推定回転速度と、基準位相φすなわち同期機４の回転子の推定位相とを算出する。
【００５０】
ＰＬＬ回路３４によって算出された基準位相φは、三相二相変換回路３１および３２にフィードバックされ、また、位置信号生成器３５へ出力される。そして、位置信号生成器３５によって機械式分配器と同様のパルス状波形を有する位相信号ＰＨがスイッチＳＷＢへ出力される。三相二相変換回路３１および３２は、以後、ＰＬＬ回路３４からの基準位相φに基づいて三相二相変換を行なう。
【００５１】
また、ＰＬＬ回路３４によって算出された回転速度ωは、誘起電圧演算回路３３に与えられる。誘起電圧演算回路３３は、以後、ＰＬＬ回路３４からの回転速度ωに基づいて、誘起電圧（同相成分）Ｚｄおよび誘起電圧（直交成分）Ｚｑを演算する。
【００５２】
スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴおよび位置信号生成器３５から受けた位相信号ＰＨのいずれかを同期機４の回転子位置を示す位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。
【００５３】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相と交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および交流電流検出器９から受けた電流検出値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。回転子位置検出部１１は、同期機４の回転子位置を示す推定位相と交流電圧検出器８から受けた電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３とに基づいて推定位相の誤差を算出する構成であってもよい。
【００５４】
また、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、ＰＬＬ回路３４は、誘起電圧のｑ軸成分Ｚｑのみに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＰＬＬ回路３４は、ｑ軸成分Ｚｑおよびｄ軸成分Ｚｄに基づいて回転速度ωおよび基準位相φを算出する構成であってもよい。このような構成により、さらに正確な演算が可能となる。
【００５５】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機の電機子における交流電圧の実効値を示す図である。
【００５６】
図４を参照して、まず、時刻Ｔ０において、同期機４およびタービンＴＢがモータＭの回転に伴って低速回転している。
【００５７】
次に、時刻Ｔ１において、中央制御装置２０１は、励磁装置２０２に起動指令を与える。励磁装置２０２は、中央制御装置２０１から起動指令が与えられると、界磁スイッチＳＷＡをオンし、同期機４の回転子における界磁巻線に一定の界磁電流を供給する。そうすると、同期機４の回転子はモータＭによって低速回転しているため、同期機４の電機子において低振幅の交流電圧が誘起される。
【００５８】
スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。また、異常検出部１０は、ゼロクロス点に基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部１０は、同期機４の回転子への界磁電流の供給が開始された時（時刻Ｔ１）から電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始される時（時刻Ｔ２）までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検出する。
【００５９】
次に、時刻Ｔ２において、中央制御装置２０１は、同期機起動装置１０１に起動指令を与える。同期機起動装置１０１は、中央制御装置２０１から起動指令が与えられると、同期機４およびタービンＴＢを所定の回転速度まで加速する。この同期機４の回転速度の上昇に伴って同期機４の電機子における交流電圧の振幅が大きくなっていく。
【００６０】
そして、スイッチＳＷＢは、位置信号生成器３５から受けた位相信号ＰＨを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。
【００６１】
次に、時刻Ｔ３において、異常検出部１０は、回転速度ωに基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部１０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時（時刻Ｔ２）から所定時間経過した後において回転子位置検出部１１によって算出された回転速度ωに基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
【００６２】
次に、時刻Ｔ４において、同期機４およびタービンＴＢの回転が所定速度に達すると、タービンＴＢは、火力等のエネルギーによって同期機４をさらに高速に回転させる。励磁装置２０２は、界磁電流を調整することにより、同期機４の電機子における交流電圧のレベルを一定に保つ。
【００６３】
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
【００６４】
図５を参照して、異常検出部１０は、カウント部７１と、比較器７２と、判定部７３と、切り替え部７４と、比較器７５と、判定部７６とを含む。
【００６５】
カウント部７１は、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴのパルス数をカウントし、同期機４の電機子における交流電圧のレベルがゼロボルトになった回数を示すカウント信号ＣＮＴを比較器７２へ出力する。
【００６６】
比較器７２は、カウント部７１から受けたカウント信号ＣＮＴの示す回数と基準回数ＥＮＵＭとを比較し、たとえば、基準回数ＥＮＵＭの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準回数ＥＮＵＭの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
【００６７】
判定部７３は、タイマを有し、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ１）からこのタイマに設定された時間が経過するまでの間は、比較器７２から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７３は、中央制御装置２０１から励磁装置２０２の起動指令を受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７２から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７４へ出力する。
【００６８】
比較器７５は、回転子位置検出部１１から受けた回転速度ωと基準速度ＥＲＦとを比較し、たとえば、基準速度ＥＲＦの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準速度ＥＲＦの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
【００６９】
判定部７６は、タイマを有し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ２）からこのタイマに設定された時間が経過するまで（図４では時刻Ｔ３）の間は、比較器７５から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７６は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７５から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７４へ出力する。
【００７０】
切り替え部７４は、たとえば、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を受ける前は判定部７３から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０１の起動指令を受けた後は判定部７６から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力する。
【００７１】
同期機４の待機時、同期機４の電機子における電圧は前述のように非常に小さい。このため、誘起電圧演算回路３３による誘起電圧の推定精度が低いことから、スイッチＳＷＢは、ゼロクロス検出部３９から受けた検出信号ＺＤＥＴを位置信号ＰＯＳとしてインバータ制御部１９へ出力する。すなわち、同期機４の待機時、同期機４の回転子はモータＭの回転に伴って所定速度で回転しているため、ゼロクロス点の間隔は一定である。そこで、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、同期機４の待機時、ゼロクロス点を検出して同期機４の電機子における交流電圧の周波数を簡易的に測定することにより、同期機４の回転異常を検出する。
【００７２】
これにより、同期機４の電機子における電圧が非常に小さく、同期機４の回転子位置を推定できない場合であっても、同期機４の回転子の回転速度を推定することができ、同期機４の回転異常を検出することができる。また、同期機起動装置１０１に起動指示が与えられる前の段階で、界磁スイッチＳＷＡの故障等によって同期機４の回転子に界磁電流が供給されない等の不具合を発見することができる。
【００７３】
また、交流電圧検出器８が故障して電圧検出値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が出力されなくなった場合には、ゼロクロス検出部３９がゼロクロス点を検出できなくなるが、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、異常検出部１０によってこのような異常も検出することができる。
【００７４】
また、インバータ２が同期機４の電機子に電力供給を開始した後、回転速度ωに基づいて異常を検出する構成により、ゼロクロス点に基づいて異常を検出する方法と比べて正確かつ迅速に異常を検出することができる。
【００７５】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置では、異常検出部１０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成であるとしたが、これに限定するものではない。異常検出部１０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの期間の全部または一部の期間において、同期機４の電機子における交流電圧のレベルが所定値たとえばゼロボルトになった回数に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成であってもよい。
【００７６】
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００７７】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて異常検出方法を変更した同期機起動装置に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様である。
【００７８】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る同期機起動装置の構成を詳細に示す図である。
【００７９】
図６を参照して、同期機起動装置１０２は、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置と比べて、異常検出部１０の代わりに異常検出部２０を備える。
【００８０】
異常検出部２０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時から所定時間経過した後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧の振幅に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。より詳細には、異常検出部２０は、回転子位置検出部１１から受けた検出電圧値ＶＥに基づいて、同期機４の回転異常を検出する。たとえば、異常検出部２０は、検出電圧値ＶＥに基づいて同期機４の電機子における交流電圧の実効値を算出し、この実効値に基づいて同期機４の回転異常を検出する。ここで、検出電圧値ＶＥは、検出値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ならびに電圧値ＶｄおよびＶｑの少なくともいずれか１つである。
【００８１】
図４に示す時刻Ｔ３において、異常検出部２０は、同期機４の電機子における交流電圧の振幅に基づく異常検出を行なう。すなわち、異常検出部２０は、電力変換部９１による同期機４の電機子への交流電力の供給が開始された時（時刻Ｔ２）から所定時間経過した後において交流電圧検出器８によって検出された交流電圧の振幅に基づいて、同期機４の回転異常を検出する。
【００８２】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る同期機システムにおける異常検出部の構成を示す図である。
【００８３】
図７を参照して、異常検出部２０は、カウント部７１と、比較器７２と、判定部７３と、比較器７７と、判定部７８と、切り替え部７９とを含む。
【００８４】
比較器７７は、回転子位置検出部１１から受けた検出電圧値ＶＥと基準電圧ＥＲＶとを比較し、たとえば、基準電圧ＥＲＶの方が大きい場合には異常であることを示す論理レベルの信号を出力し、基準電圧ＥＲＶの方が小さい場合には正常であることを示す論理レベルの信号を出力する。
【００８５】
判定部７８は、タイマを有し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時（図４では時刻Ｔ２）からこのタイマに設定された時間が経過するまで（図４では時刻Ｔ３）の間は、比較器７７から受けた信号に関わらず、正常であることを示す論理レベルの信号を判定信号として出力する。そして、判定部７８は、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を示す制御信号ＳＩＴを受けた時からこのタイマに設定された時間が経過すると、比較器７７から受けた信号をそのまま判定信号として切り替え部７９へ出力する。
【００８６】
切り替え部７９は、たとえば、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を受ける前は判定部７３から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力し、中央制御装置２０１から同期機起動装置１０２の起動指令を受けた後は判定部７８から受けた判定信号を中央制御装置２０１へ出力する。
【００８７】
同期機４では、定界磁制御すなわち回転子の界磁巻線を通して一定の界磁電流を流している場合には、同期機４の電機子における交流電圧の振幅と同期機４の回転子の回転周波数とが比例関係となる。同期機起動装置１０２では、この比例関係を利用して、同期機４が起動してから所定時間経過しても同期機４の電機子における交流電圧の振幅が所定値以上にならない場合、同期機４の回転異常であると判断することができる。
【００８８】
また、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置のように、回転速度ωに基づいて異常を検出する構成では、たとえば、回転子位置検出部１１による演算が発散して回転速度ωが過大な値になってしまっても、同期機４の回転は正常であると判断してしまう。これに対して、同期機４の電機子における交流電圧の振幅たとえば交流電圧の実効値に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成では、回転子位置検出部１１による演算が発散して正常に行なわれなくなった場合でも、同期機４の回転異常を検出することができる。
【００８９】
ただし、同期機４の電機子における振幅に基づいて同期機４の回転異常を検出する構成では、たとえば交流電圧検出器８の検出電圧値の実効値を計算する必要があるが、本発明の第１の実施の形態に係る同期機起動装置のように回転速度ωに基づいて異常を検出する構成ではその必要がないというメリットがある。
【００９０】
その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る同期機起動装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
【００９１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９２】
１  コンバータ、２  インバータ、３  直流リアクトル、４  同期機、８  交流電圧検出器、９  交流電流検出器、１０，２０  異常検出部、１１  回転子位置検出部、１２  基準正弦波演算器、１３  ゲートパルス発生器、１４  β指令回路、１９  インバータ制御部（電力変換制御部）、３１，３２  三相二相変換回路、３３  誘起電圧演算回路、３４  ＰＬＬ回路、３５  位置信号生成器、３９  ゼロクロス検出部（レベル監視部）、７１  カウント部、７２  比較器、７３  判定部、７４，７９  切り替え部、７５，７７  比較器、７６，７８  判定部、９１  電力変換部、１０１  同期機起動装置、２０１  中央制御装置、２０２  励磁装置、３０１  同期機システム、Ｍ  モータ、ＴＢ  タービン、ＳＨ  軸、ＡＴＵ，ＡＴＶ，ＡＴＷ  電機子、ＲＴ  回転子、ＳＷＢ  スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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